Ingenieurs van de Northwestern University hebben modulaire robots ontwikkeld die met behulp van kunstmatige intelligentie van vorm kunnen veranderen, schade kunnen opvangen en blijven functioneren in buitenomgevingen. De machines, die de onderzoekers ‘legged metamachines’ noemen, bestaan uit autonome modules. Elke module werkt als een afzonderlijke robot, maar kan zich koppelen aan andere modules om grotere systemen te vormen met verschillende manieren van bewegen.
Elke module bevat een eigen motor, batterij en computer en kan daardoor zelfstandig opereren. Een enkele module kan rollen, draaien en springen. Wanneer meerdere modules worden gekoppeld, ontstaan structuren die complexere bewegingen mogelijk maken, zoals springen, golvende bewegingen of stuiteren. De robots kunnen zich ook weer oprichten als ze omvallen en bewegingen uitvoeren zoals over obstakels springen of in de lucht ronddraaien.
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences. Het project stond onder leiding van Sam Kriegman, universitair docent computerwetenschappen, werktuigbouwkunde en chemische en biologische technologie aan de McCormick School of Engineering van Northwestern University. Chen Yu, David Matthews en Jingxian Wang, promovendi bij het Center for Robotics and Biosystems van de universiteit, zijn mede-eerste auteurs van de studie.
Om effectieve configuraties voor de robots te vinden, gebruikten de onderzoekers een evolutionair algoritme dat verschillende lichaamsontwerpen genereert en test. Vanuit een set modulaire onderdelen simuleerde het algoritme combinaties van modules in een virtuele omgeving. Ontwerpen die efficiënt konden bewegen bleven behouden en werden steeds verder aangepast via processen die lijken op mutatie en selectie.
De modules zijn ongeveer een halve meter lang en lijken op twee stijve ledematen die verbonden zijn door een centrale bol. In die bol zitten de elektronische en mechanische onderdelen die nodig zijn voor de werking, zoals een printplaat, batterij en motor. De modules draaien langs één as, maar kunnen in verschillende opstellingen worden gecombineerd. Afhankelijk van de vorm van de robot functioneren ze bijvoorbeeld als poten, een ruggengraat of een staart.
Na de simulatiefase bouwden de onderzoekers een aantal ontwerpen die het algoritme had geselecteerd, waaronder robots met drie, vier en vijf modules. Deze systemen werden buiten getest op ondergronden zoals grind, gras, zand, modder en ongelijk metselwerk. De robots konden zich over al deze terreinen voortbewegen zonder extra training of aanpassingen.
Door het modulaire ontwerp blijft het systeem ook werken als onderdelen beschadigd raken. Breekt er een component af, dan kan de overgebleven structuur blijven functioneren, zij het met minder mogelijkheden. De losgeraakte module kan zich ondertussen zelfstandig blijven bewegen en zich mogelijk weer aansluiten bij de grotere robot.
Volgens Kriegman bouwt het onderzoek voort op eerder werk waarbij algoritmes voor kunstmatige intelligentie automatisch robotontwerpen genereerden. Die eerdere prototypes konden wel lopen, maar hadden geen besef van hun eigen lichaam en konden meerdere modules niet goed laten samenwerken. Het nieuwe systeem combineert sensoren en coördinatie tussen modules, terwijl het algoritme nog steeds ongebruikelijke robotontwerpen kan ontwikkelen via een geautomatiseerd evolutieproces.
Foto: Sam Kriegman / Northwestern University
